Гадолиний

Гадоли́ний (новолат. Gadolinium), Gd — химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер — 64, атомная масса — 157,25. Относится к лантаноидам.

Гадолиний
← Европий | Тербий →
64 Gd

Cm
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
64Gd
Hexagonal.svg
Electron shell 064 Gadolinium.svg
Внешний вид простого вещества
Мягкий вязкий металл серебристо-белого цвета
Gadolinium-4.jpg
Свойства атома
Название, символ, номер Гадолиний / Gadolinium (Gd), 64
Атомная масса
(молярная масса)
157,25(3)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Xe] 4f7 5d1 6s2
Радиус атома 179 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 161 пм
Радиус иона (+3e) 93,8 пм
Электроотрицательность 1,20 (шкала Полинга)
Электродный потенциал Gd←Gd3+ -2,28В
Степени окисления 3
Энергия ионизации
(первый электрон)
 594,2(6,16) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 7,900 г/см³
Температура плавления 1586 K
Температура кипения 3539 K
Уд. теплота плавления 10,0 кДж/моль
Уд. теплота испарения 398 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 37,1[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём 19,9 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная
Параметры решётки a=3,636 c=5,783 Å
Отношение c/a 1,590
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) (10,5) Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-54-2
64
Гадолиний
157,25
4f75d16s2

Содержание

История

Гадолиний открыт в 1880 году Жаном де Мариньяком, который спектроскопически доказал присутствие нового элемента в смеси оксидов редкоземельных элементов. Элемент был назван по имени финского химика Юхана Гадолина.

Нахождение в природе

Кларк гадолиния в земной коре (по Тейлору) — 8 г/т, содержание в воде океанов — 2,4⋅10−6 мг/л.

Месторождения

Гадолиний входит в состав руд лантаноидов.

Получение

Гадолиний получают восстановлением фторида или хлорида гадолиния (GdF3, GdCl3) кальцием. Соединения гадолиния получают разделением оксидов редкоземельных металлов на фракции.

Цены

Цены на металлический гадолиний чистотой 99,9 % в конце 2014 года составили 132,5 долл. США за 1 кг[3].

Физические свойства

Изотопы

Природный гадолиний состоит из шести стабильных изотопов (154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd и 160Gd) и одного нестабильного 152Gd.

Химические свойства

Применение

О гадолинии как о материале современной технологии рассказывать можно довольно долго, ибо этот элемент постоянно открывает все новые и новые области своего применения, и в немалой степени это обусловлено не только особыми ядерно-физическими и магнитными свойствами, но и технологичностью. Основными областями применения гадолиния являются электроника и ядерная энергетика, а также широко применяется как парамагнитное контрастное вещество в медицине.

Магнитные носители информации

Ряд сплавов гадолиния и особенно сплав с кобальтом и железом позволяет создавать носители информации с колоссальной плотностью записи. Это обусловлено тем, что в этих сплавах образуются особые структуры — ЦМД — цилиндрические магнитные домены, причём размеры доменов менее 1 мкм, что позволяет создавать носители памяти для современной компьютерной техники с плотностью записи 1—9 миллиардов бит (0,1…1 ГБайт) на 1 квадратный сантиметр площади носителя.

В медицине

Гадолиний-153 используется в качестве источника излучения в медицине для диагностики остеопороза. Хлорид гадолиния применяется для блокады клеток Купфера при лечении печени.

Контрастирование при МРТ

Гадолиний является основой парамагнитных контрастных веществ при магнитно-резонансной томографии. Контрастный препарат, например гадодиамид, представляет раствор водорастворимой соли, который вводится внутривенно и накапливается в областях с повышенным кровоснабжением (например, злокачественных опухолях). Из-за содержания редкоземельных элементов контрастное вещество относительно дорогое — цена одной дозы в 2010 году составляет 5-10 тыс. рублей. Ряд МРТ-исследований неинформативен без контрастного усиления. Первое парамагнитное контрастное вещество было создано фирмой Баер в 1988 году.[4]

Лазерные материалы

Гадолиний применяется для выращивания методом Чохральского (вытягивание из расплава) монокристаллов гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) и особенно гадолиний-галлий-скандиевого граната (ГГСГ), и др. Особые свойства ГСГГ позволяют на его основе изготавливать лазерные системы с предельно высоким КПД и сверхвысокими параметрами лазерного излучения. В принципе, ГСГГ на сегодняшний день является первым в достаточной степени изученным и имеющим отработанную технологию производства лазерным материалом — обладающим высоким КПД преобразования и пригодным для создания лазерных систем для инерциального термоядерного синтеза.

Ванадат гадолиния с ионами неодима и тулия применяется для производства твердотельных лазеров, применяемых для лучевой обработки металлов и камня, а также и в медицине.

Ультрафиолетовый лазер

Использование ионов гадолиния для возбуждения лазерного излучения позволяет создать лазер, работающий в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 310 нм.

Ядерная энергетика

В ядерных технологиях ряд изотопов гадолиния нашли применение как поглотитель нейтронов теплового спектра. Сечение захвата нейтрона у природной смеси изотопов достигает 49 000 барн. Наивысшей способностью к захвату нейтронов обладает гадолиний-157 (сечение захвата — 254 000 барн). В современных ядерных реакторах гадлоиний применяется как экранирующий выгорающий поглотитель, призванный продлить топливную кампанию реактора.

Растворимые соединения гадолиния интересны в установках переработки отработанного ядерного топлива для предотвращения образования в технологических установках зон с критическими массами делящегося вещества. На основе окиси гадолиния изготавливаются эмали, керамика и краски, используемые в ядерной отрасли. Сплав гадолиния и никеля применяется для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Оксид гадолиния используется для варки стекла, поглощающего тепловые нейтроны. Самый распространенный состав такого стекла: оксид бора — 33 %, оксид кадмия — 35 %, оксид гадолиния — 32 %.[источник не указан 47 дней]

Термоэлектрические материалы

Теллурид гадолиния может работать как очень хороший термоэлектрический материал (термо-э.д.с. 220250 мкВ/К).

Сверхпроводники

В качестве одного из базовых компонентов входит в состав сверхпроводящей керамики с общей формулой RE-123, где RE обозначает редкоземельные металлы. Полная формула высокотемпературной сверхпроводящей керамики на основе гадолиния — GdBa2Cu3O7-δ, сокращенно — GdBCO. Температура сверхпроводящего перехода — около 94 К. Является одним из наиболее передовых ВТСП-материалов.

Электронные пушки

Гексаборид гадолиния применяется для изготовления катодов мощных электронных пушек и рентгеновских установок, ввиду самой маленькой работы выхода из всех боридов редких земель — его работа в 2,05 эВ сравнима с работой выхода щелочных металлов (калий, рубидий, цезий).

Металлогидриды для хранения водорода

Сплав гадолиний-железо применяется как очень ёмкий аккумулятор водорода, и может быть применен для водородного автомобиля.

Получение сверхнизких температур

Сплав гадолиния, германия, кремния и небольшого количества железа (1 %) применяется для производства магнитных холодильников (на основе гигантского магнитокалорического эффекта)[5][6].

Чистый гадолиний имеет максимальное значение магнитокалорического эффекта в точке Кюри (около 290 K) порядка 4,9 С при адиабатическом намагничивании полем 20 кЭ[7]. Также особый интерес в последние годы привлекает к себе сплав гадолиний — тербий (монокристаллический).

Легирование титановых сплавов

Некоторое количество гадолиния постоянно расходуется для производства специальных титановых сплавов (повышает предел прочности и текучести при легировании уже около 5 % гадолинием).

Биологическая роль

Гадолиний является ингибитором механочувствительных ионных каналов, обратимо блокирует их в микромолярных концентрациях. Также он может блокировать и некоторые другие ионные каналы.

См. также

Примечания

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 450. — 623 с. — 100 000 экз.
  3. Gadolinium prices (англ.). Metal-Pages (16 ноября 2014). Дата обращения 13 ноября 2014. Архивировано 16 ноября 2014 года.
  4. Магнитно-резонансный томограф (МРТ)
  5. Effect of alloying on the giant magnetocaloric effect of Gd5(Si2Ge2)
  6. Магнитное охлаждение — уже реальность
  7. Арефьев И. М.: Магнитокалорический эффект и теплоемкость высокодисперсных магнетиков

Ссылки